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技术分享|PEM电解槽氧中氢测试

动量守恒绿色能源

2024-10-31

质子交换膜（PEM）电解水技术具有低能耗、电流密度高、电解槽体积小、功率调节范围宽等优势，与波动性较大的风电和光伏有很好的适配性。PEM电解槽的核心部件为膜电极，由阴极催化层、PEM、阳极催化层组成，阴阳极催化层分别分布在PEM的两侧，一般认为电解槽在实际运行中PEM能有效隔绝阳极和阴极的气体产物，因此相比于传统碱性电解槽，PEM电解槽的另一个优势是氢气纯度高（＞99.99%）。

然而，在实际工业应用中，PEM电解槽运行过程中普遍存在阴极端的氢气穿过PEM渗透到阳极的现象，导致电解效率降低（获得氢气量变少），更严重的是过量氢渗透到阳极氧气产物中（氢气在氧气中爆炸极限为4 Vol%），会发生严重的安全事故，因此近年来阳极端氧中氢的检测引起大家的广泛关注。

一、PEM电解槽中氢渗透机理

目前电解槽中氢渗透的主流机理为物质扩散机制和对流机制。扩散机制是氢气由浓差极化引起的由高浓度（阴极侧）向低浓度（阳极侧）扩散，主要受温度、质子膜厚度、电流密度等因素的影响；对流机制是由电渗导致的氢气反渗透，主要发生在大电流密度下，具体而言在反应过程中阳极端产生的质子（H⁺）通过PEM传递至阴极端过程中，H⁺会拖拽水分子一起运输至阴极（电渗现象），一方面含溶解H₂的水分子在阴阳极压差下（一般来说电解槽为带压运行）从阴极传输至阳极，另一方面电渗现象会增加膜的通透性，导致氢气更容易扩散至阳极。

二、氧中氢测试方法

氧中氢测试是测量电解槽阳极产生的氧气中包含的氢气含量（体积分数）的一种技术，通过这种检测方法，可以及时监测氧中氢的浓度，在氢气爆炸浓度范围内及时纠正设备运行过程中的安全隐患，预防危险事故的发生。目前氧中氢测试方法可以简单概述为直接分析法和光谱分析法，它们的特点如下：

方法	内容	优缺点
直接分析法	根据氢气和氧气物理化学性质的不同，通过特定的传感器可以直接计算出氧气中氢气的比例。	方法简单便捷，但可能受到温度和压力变化的影响较大。
光谱分析法	利用红外光谱（FTIR）或质谱（MS）等技术，可以非破坏性地分析氧气中的氢气含量。	能够提供精确的氢气浓度信息，但设备成本和操作要求较高。

表一不同氧中氢测试方法对比

三、影响氧中氢测试结果的主要因素

1.质子交换膜渗透性的影响

膜的厚度直接决定了气体通过膜的扩散路径长度。一般来说，膜越厚，气体扩散路径更长，渗透性越低，氧中氢含量越小。然而，厚度的增加也可能导致膜的电阻增加，从而影响电解质膜的整体性能，在实际测试中应综合考虑厚度对渗透和电阻的双重影响。膜的组成材料也是影响氢气和氧气在膜内的溶解度和扩散速率的一个重要因素。例如，部分氟化膜（如Nafion）由于其结构中存在的微观相分离区域，使得水合质子通道和疏水基质共同存在，这种结构能够有效地阻止气体渗透，同时保持较高的质子传导性。此外，质子交换膜水合程度对氢气的测试结果有显著影响。根据相关研究表明，气体湿度增加时，膜的水合程度也随之增加，当膜发生水合时，水以水通道的形式积聚，由于水的氢气渗透率是干膜的数倍，所以当质子交换膜的水合程度增加时，氢气的渗透率也会相应增大。

2.压差和温度的影响

在常规运行压力范围内，温度是影响氢气渗透的主要因素，随着温度的升高，膜内离子传输更通畅，渗透率也会增大，故而氧中氢浓度随温度的升高而增加；当温度固定时，若施加的压差较小时，据相关报道为0.1-0.5MPa，此时压差低于质子交换膜水通道中的毛细管压力，气体、液体通过膜水通道的传输不受压差驱动，即氢渗透程度不变，所以在此压差范围内，氧中氢浓度不变。当压差进一步升高时，对流渗透占的比重越来越大，此时，氢渗透量增大，氧中氢测试数据升高。

3.电流密度的影响

结合相关报告及我司测试结果来看，在电流密度增加的过程中，初期氧中氢的含量会随着电流密度的提高而略有下降。这是因为在高电流密度下，电解效率提高，水分子被更有效地转化为氢气和氧气,且因为在一定范围内升高电流密度，由高电密下电渗作用引起的水通量可能导致溶解的氢由阳极传输回阴极，此时可能导致氢渗透率降低。然而，随着电流密度进一步提高，电化学反应越剧烈，溶解的氢含量越高，导致溶解氢的过饱和度升高，导致会出现局部氢气过饱和现象，进而氢气渗透加剧，氧中氢含量升高。

四、氧中氢测试技术对于电解槽技术发展的重要作用

PEM电解水制氢系统因能耗较高、寿命不足、成本高等缺点，是大规模商业化应用的主要制约因素。大规模、大功率、高压差是PEM制氢系统未来发展的方向，因此，在后续的产业化进程中需要结合实际工况，在衰减机制、创新性材料开发和低成本组件方面取得突破。

通过监测制氢系统的氧中氢浓度，可以帮助操作人员了解电解槽的运行效率，及时调整组件以及操作条件提升电流密度，最终提高氢气的纯度和产量以及提升不同输入特性下PEM电解槽的寿命。

动量守恒公司测试部门自建了氧中氢测试中心，在常规的方法中接入高精度传感器，可以直接显示氧中氢浓度，并且支持实时和长时间监测（如下图所示）。

图1 动量守恒氧中氢测试

公司采用自主研发的催化剂进行了膜电极的制备，并进行了氧中氢测试，测试结果如下表所示，在不同电流密度下的氧中氢浓度均低于0.2%。

A/cm²	0.5	1	1.5	2	2.5	3	3.5	4
H₂/O₂（Vol%）	0.137	0.077	0.082	0.096	0.116	0.14	0.165	0.185

表二不同电流密度下的氧中氢浓度

目前，公司可根据客户的需求提供定制的电化学测试服务，包括但不限于PEM电解、AEM电解、CO₂RR等材料、零部件、小型短堆的性能和稳定性的专业测试，以及阻抗和氧中氢等参数测试，并提供一对一的测试分析服务。

【声明】内容源于网络

动量守恒绿色能源

国内领先的固体电解质膜电解槽(PEM/AEM/CO2RR)核心材料与器件供应商，建立了齐全的电解槽阳极催化材料产品序列，并拥有自主知识产权的直通孔结构多孔传输层(Ti/Ni SP-PTL)技术以及多孔传输电极(Ti/Ni PTE)工艺。

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动量守恒绿色能源国内领先的固体电解质膜电解槽(PEM/AEM/CO2RR)核心材料与器件供应商，建立了齐全的电解槽阳极催化材料产品序列，并拥有自主知识产权的直通孔结构多孔传输层(Ti/Ni SP-PTL)技术以及多孔传输电极(Ti/Ni PTE)工艺。

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